智能建造背景下的智慧工地发展与实践研究

2023-10-26 13:49:54来源：作者：

建筑业是我国国民经济的重要物质生产部门和支柱产业之一，同时也是安全事故多发、污染严重、法律纠纷较多的行业。传统的建设工程劳动力密集、粗放生产的特点，是导致工程安全事故频发的主要原因，给社会造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。此外，随着建筑规模的不断扩大和工地数量的不断增加，劳动人员的数量和流动性持续上升，人员管理问题日益凸显，同时劳动合同纠纷、建筑质量问题与日俱增。在这一背景下，智能建造成为建筑业转型发展的必要手段，智慧工地逐渐出现并迅速发展。

1. 智能建造的发展

智能建造是我国建筑业绿色低碳转型、数字化转型的重要动力。总体来看，智能建造的发展经历了数字化建造、信息化建造和智能建造三个发展阶段。2003年国家体育场的建设引入三维建模软件CATIA解决复杂空间结构问题，是我国建筑行业首次使用BIM技术建造的实践。2008年昆明新机场工程中建立了我国首个基于BIM的运维管理系统，强调了工程建造中对信息的管理与应用；2012年北京英特宜家购物中心工程中搭建了国内首个基于BIM的信息化管理系统，实现了各项业务管理之间的关联与联动。通过数字化建造和信息化建造阶段的积累，以及BIM技术、物联网、云计算、移动互联网和大数据的集成化智慧应用，我国建筑行业逐渐进入智能建造阶段。北京槐房再生水厂打造了基于BIM和物联网的“智慧水厂”建设平台，实现了全生命周期的智能建造。北京大兴国际机场通过融合BIM数据、GIS数据及物联网数据，搭建智慧工地集成平台，实现新机场工地信息化、精细化、智能化管控。

智能建造是工程建造的高级阶段，从项目的全生命期考虑，实现基于大数据的项目管理和决策，以及全空间的实时感知，最终达到工程建设的工业化、信息化和绿色化，进而促进建筑产业模型的根本变革。

2. 智慧工地的发展

2.1 智慧工地的特征及应用范围

智慧工地是智能建造的重要组成部分，源于2009年IBM公司提出的“智慧地球”理念。国内对于智慧工地的研究较为丰富，已形成大量的研究成果，根据不同建筑工程施工过程中使用信息技术的不同、实现目标的不同、管理对象的不同，学者对智慧工地的定义各不相同。但总体来看，智慧工地是建立在高度信息化基础上的一种信息感知、互联互通、全面智能和协同共享的新型信息化手段和工程现场管理模式，是BIM技术、物联网等信息技术与先进建造技术深度融合的产物，具有以下四个特征：

（1）聚焦施工一线生产活动，实现信息化技术与生产过程深度融合。

（2）保证数据实时获取和共享，提高现场基于数据的协同工作能力。

（3）追求数据的分析与预测能力，提高管理者的过程预测和决策能力。

（4）集成软硬件技术，满足施工现场多变的需求，保证信息化系统的有效性和可行性。

建筑信息模型、射频识别技术、计算机视觉技术等信息技术在智慧工地的应用较多，北斗、5G、人工智能等技术手段也逐步开展应用。基于信息技术的引入，建筑工人管理、施工安全管理、施工设备管理、施工生产管理、施工环境管理、项目协同管理等方面出现了一系列智能化应用，甚至建筑施工阶段上、下游的供应商监管、投诉监管等也有所涉及，智慧工地的应用面逐渐扩大且趋于完善。

2.2 规范和标准

随着智慧工地的发展，各地政府或行业主管部门相继发布了智慧工地的建设及评价标准，部分智慧工地建设及评价标准如表1所示。北京市住房和城乡建设委员会印发的《北京市房屋建筑和市政基础设施工程智慧工地做法认定关键点》对智慧工地做法内容进行细化说明，并明确了智慧工地认定关键点；山东省住房城乡建设厅印发的《全省房屋建筑和市政工程智慧工地建设指导意见》明确了智慧工地建设的指导思想、基本原则、工作目标、主要任务和保障措施；重庆市住房和城乡建设委员会印发的《重庆市2020年“智慧工地”建设工作方案》将智慧工地分为三个等级，《智慧工地建设与评价技术细则》用于指导重庆市行政区域内房屋建筑和市政基础设施工程智慧工地的建设、评价、应用、维护等工作。

表1 部分省级智慧工地建设及评价标准

地区	发布时间	文件名称
北京市	2019年	《智慧工地技术规程》
北京市	2021年	《智慧工地评价标准》
北京市	2021年	《北京市房屋建筑和市政基础设施工程智慧工地做法认定关键点》
山东省	2021年	《全省房屋建筑和市政工程智慧工地建设指导意见》
湖北省	2017年	《智慧工地信息化管理平台通用技术规范》
江苏省	2019年	《数字工地智慧安监实施指南》
河北省	2019年	《智慧工地建设技术标准》
重庆市	2020年	《智慧工地建设与评价标准》
重庆市	2021年	《智慧工地建设与评价技术细则》

3. 智慧工地应用存在的问题及解决思路

《中国建筑施工行业信息化发展报告（2017）——智慧工地应用与发展》对全国474个建筑施工企业智慧工地应用情况进行了问卷调查，调查结果很大程度上反映了我国智慧工地建设中存在的普遍问题。除区域发展不平衡问题外，智慧工地的应用围绕工程施工现场管理，并针对人、机、料等直接影响施工效果的关键环节的应用较多，而智慧工地的集成应用、延展性应用则相对较少。

北京城建集团自国家体育场项目起，在国内较早将信息化技术应用于建筑工程施工。从2015年至今，先后在北京大兴国际机场、国家速滑馆、高山滑雪中心、香山革命纪念馆、广州地铁十号线等多项大型工程中积累智慧工地建设经验。总结提出了智慧工地平台发展规划，基础标准化版本满足行业及地方考核评价要求；功能深化版本打通生产和管理的壁垒，实现数据互联互通；智慧赋能版本达到智能研判、快速识别、实施预警、综合分析、科学决策等。

智慧工地系统在工程中的落地应用离不开一套完整的数字化基础设施产品，北京城建集团研发了基于“云边端”架构的智慧工地集成云平台系统，并在此基础上开发了包含城建云平台、边缘设备和终端设备在内的数字化基础设施产品体系。

4. 基于“云边端”架构的智慧工地集成云平台

4.1 架构

“云边端”集成云平台，以管控云平台为基础，延伸边缘计算平台和智能感知控制设备终端，形成“云”、“边”、“端”一体化的城建云平台，如图1所示。

图1 “云边端”集成云平台架构示意图

“云”即公司集团云端服务，一方面指数字化平台，包括数据资产平台、数据汇聚器、数据处理器、数据治理及服务，也包括AI平台、物联感知控制平台、BIM中台、业务中台；另一方面是指城建云平台，包含云计算、云存储、云安全。

“边”即项目边缘计算服务，包含两个层次的概念，一是指智能化系统，像智慧工地、构建分解、智能装配、智慧安防等；二是指项目边缘云设备，项目上承载项目边缘计算、离线算力、AI分析、物联接入、应用服务等，它可以是一个小的边缘计算服务器，可以是塔式或者台式服务器，也可以是一个比较大的一体机，也可以是包含厢房在内的移动方舱。

“端”即工地现场的智能设备终端，包含物联网设备、传感器、工地物业化、云桌面的“城建盒子”等，以及工地现场安装的摄像头、大门口进出的闸机、人脸设备等。

“用”指智慧工地的应用，可以是集团公司管控、数字孪生应用、现场管理平台、设备管控应用，也可以是工地服务、人员管理、安全管理等应用。

4.2 基础设施产品体系

（1）云平台

云平台是基础设施产品体系的核心产品，包含中心云平台、分布式私有云和边缘云三部分，如图2所示。

图2 云平台示意图

中心云平台可为集团提供完整计算、存储、安全资源，同时可为各二级单位提供云化服务资源。二级单位、大型项目工地现场因业务规模、离线存储等需求，可部署分布式私有边缘云，获取完整云平台资源；小区、园区、场馆、综合体等可部署边缘云节点，获取边缘计算、存储、安全资源，以及人工智能、物联网等离线中台资源；建筑工地现场、抢险救灾现场可部署移动式边缘计算方舱，获取边缘云节点资源，同时便于移动部署。

（2）边缘设备

当中心云集中存储、计算的模式已经无法满足海量终端设备对于时延、带宽、容量和算力的需求时，则需要边缘设备承载边缘云计算能力，并通过中心云进行统一交付、运维及管控。边缘设备基于强大的算力，运行本地计算、消息通信、数据缓存、AI算法，为边缘端应用赋能。同时支持有线网络、WiFi、ZigBee、4G、5G等多种网络方式，适用于室外或室内各种不同需求的场景，构成了“云边端”一体化协同的一环。

边缘设备包含边缘控制器、边缘云计算盒子、智能网关、智能控制一体机以及移动边缘云方舱等设备，如图3所示。

图3 智慧工地边缘设备

（3）终端设备

最终布置在施工现场的各类终端设备是智慧工地系统得以实现的关键环节。北京城建集团智慧工地建设中使用的终端设备包括物联网控制器、智能感温探测器、物联网防爆控制器、AI读表器智能闸机、人脸识别设备等，如图4所示。

图4 智慧工地终端设备

4.3 智慧工地集成云平台特点

基于“云边端”架构的智慧工地集成云平台具有以下三个特点：

（1）功能模块标准化

智慧工地的功能模块分为标准模块、可选模块和可定制模块。三者功能依次为人员管理、设备管理、物资管理、质量管理、安全管理等基本模块；BIM模块、GIS模块、档案管理模块、物联网模块等数据模块；VR、语音识别、遥感定位、无人机建模等人工智能模块。

（2）管理场景标准化

智慧工地的管理场景分为集团和公司端场景、项目端场景、手机端场景三部分。

集团和公司端场景均可总览全集团或全公司的所有项目的基本情况，对关键数据进行统计分析，比如人员数量、大型设备数量、中标或在施项目数量及中标总合同额等，同时亦能随时调取项目现场实时监控，如图5和图6。项目端场景可总览整个工程项目的基本情况，可监测工程进度、施工现场人数、PM2.5值、施工噪音等，如图7（a），也可监测施工现场主要出入口、材料区、塔吊系统等关键位置，如图7（b）。手机端场景能够随时随地查看工程项目信息，包括视频监控、人员统计、环境监控、进度计划、隐患排查、设备物资等情况，如图8。

图5 智慧工地集成平台集团端场景示意图

图6 智慧工地集成平台公司端场景示意图

图（a）集成平台项目端总览示意图

图（b）集成平台项目端数字沙盘示意图

图7 智慧工地集成平台项目端场景示意图

图8 智慧工地集成平台手机端场景示意图

通过构建智慧工地集成平台中的集团和公司端场景、项目端场景、手机端场景，实现了对施工单位工程管理自上而下的完整闭环，打通了生产和管理之间的信息屏障，并做到了施工风险实时监测和预警。

（3）实施标准化

实施标准化关系智慧工地各类应用的最终落地，包括硬件设备产品、综合布线、设备安装调试、设备平台对接、拆改移及维护的标准化。

5.结语

作为建筑工程的重要组成部分，进一步推广智慧工地应用，更好地将信息技术运用于工程建设全生命期，对提高工程质量、缩短建设周期、节约建设成本立竿见影；作为施工企业工程管理的重要组成部分，进一步完善智慧工地集成平台功能，打通各独立系统之间的联系，对把控工程进度、辅助项目决策、提升管理效率效果显著；作为智能建造的重要组成部分，进一步深化智慧工地建设，促进新型建筑工业化协同发展，对推进建筑业由高速发展向高质量发展过渡，加快建筑业绿色低碳转型、数字化转型意义重大。

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